CC BY
83
УДК 665.62: 537.8: 534.23
Р. А. Галимов, Р. Н. Марданшин, Х. Э. Харлампиди, Э. М. Дахнави
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОТБОР УЗКИХ ФРАКЦИЙ
СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Ключевые слова: нефть, нефтепродукты, коллоидные частицы, электромагнитная обработка. oil, mineral oil, colloid particles, electromagnetic processing.
В переменном электромагнитном поле углубление отбора светлых фракций нефтей и нефтяных остатков связано с деструкцией высокомолекулярных молекул и перефомированием сольватных слоев сложных структурных единиц.
In a variable electromagnetic field deepening of selection of light fractions oils and the oil rests is connected with деструкцией high-molecular molecules and toformationsolvat layers of difficult structural units.
In a variable electromagnetic field deepening of selection of light fractions oils and the oil rests is connected with деструкцией high-molecular molecules and toformationsolvat layers of difficult structural units.
Физические поля, как правило, имеющие волновую природу, находят разнообразное применение для интенсификации физико-химических процессов [1]. В нефтедобыче волновые технологии используют для увеличения нефтеотдачи, например, путем активации глинистых дисперсий, применяемых в водоизоляционных работах [2], исключения осложнений, создаваемых асфальтосмолопарафиновыми отложениями в призабойной зоне и на-сосно-компрессорных трубах [3], загущения буровых растворов [4] и т.д. В нефтеперерабатывающей отрасли применение волновых технологии преследует аналогичную цель -увеличение дисперсности нефтяной системы, приводящее к повышению отбора светлых нефтепродуктов. Для повышения отбора светлых нефтепродуктов испытаны следующие физические поля - кавитационные (различного аппаратурного оформления) [5], магнитные [6, 7], электромагнитные [8], акустические [9], их различные комбинации [10] и т.п.
Статья посвящена изменению выхода узких фракций (фр.) в составе светлых нефтепродуктов под воздействием электромагнитного поля.
Экспериментальная часть
Исследования проводили на проточной установке, позволяющей изменять скорость расхода нефтяного сырья, влияющей на время нахождения его в электромагнитном поле. Объем исходной нефти - 3.0 л, частота тока промышленная - 50 Гц, рабочее напряжение переменного тока - 150 В, сила тока - 20 А, потребляемая мощность генератора электромагнитного поля - 4.4 кВт, начальная температура нефти - 20 0С, рабочий объем реактора - 0.72 л. Нефть отделялась от генератора электромагнитного поля диамагнитным материалом. Генератор электромагнитного поля состоял из четырех зон.
Разгонку нефти проводили по ГОСТу. Сырьем служила сборная акташская нефть, плотность при 20 0С - 0.9103 г/см3, кинематическая вязкость при 20 0С - 94.6 мм2/с, температура начала кипения - 49 0С.
Исходную нефть пропускали через установку, отбирали пробы для анализа, оставшееся количество служило сырьем для следующих стадий электромагнитной активации, обозначенных 1акт, 2акт и т.д. Изменение времени нахождения нефти в электромагнитном поле связано с количеством сырья и его реологическими характеристиками. Время нахождения нефти в электромагнитном поле в отдельной стадии и суммарно приведены в табл. 1.
Параметры 1акт 2 акт 3акт 4акт
Время нахождения нефти в электромагнитном поле, мин В отдельной стадии 4.0 2.5 4.0 9.0
Суммарная 4.0 6.5 10.5 19.5
Обсуждение результатов
К легким фракциям нефтепродуктов относятся фракции от начала кипения (н.к.) нефти до 200 С, к светлым нефтепродуктам - фракции, выкипающие до 300 0С. Как показано ранее [8], в результате вторичного воздействия переменного электромагнитного поля отбор фр.н.к. - 200 0С достигает максимального значения, равного 16.0 % об., и при дальнейших обработках практически не изменяется. Простым способом повышения глубины отбора светлых нефтепродуктов является введение в нефть или их остатки различных химических добавок, в том числе разбавителей [6]. Увеличению отгонки светлых нефтепродуктов, особенно из нефтяных остатков, способствует механоактивация [5]. Рост глубины отбора светлых фракций нефтяного сырья достигается применением волновых технологий [1, 9, 10].
На рис.1 показаны зависимости изменения глубины отбора узких фракций легких нефтепродуктов от времени нахождения нефти в переменном электромагнитном поле.
Время нахождения нефти в электромагнитном поле, мин
Рис. 1 - Изменение отбора узких фракций легких нефтепродуктов
Как следует из рис.1, после первой электромагнитной обработки отбор всех узких фракций легких нефтепродуктов повышается: фр.н.к. - 200 0С - на 0.8 % об., фракция 100 - 150 0С - на 0.8 % об., фр. 150 - 200 0С - на 0.2 % об., что в сумме составляет 1.8 % об. Причем вид зависимости глубины отбора фр.н.к. - 100 0С от времени нахождения нефти в электромагнитном поле указывает на потенциальное исчерпание алкильных цепей Сб — Се в молекулах высококипящих углеводородов, формирующих указанные нефтепродукты. Снижение отбора фр.н.к. - 100 0С в ходе второй электромагнитной активации частично объясняется потерями указанных углеводородов. В последующем электромагнитная обработка не сказывается на выходе фр.н.к. - 100 0С.
Другие зависимости характерны для отбора фр.100 - 150 0С и фр.150 - 200 0С (рис.1, кр.2, 3). Второе воздействие переменного электромагнитного поля повышает отбор фр.100 - 150 0С дополнительно на 1.0 % об., следующая обработка еще на 0.7 % об. и при последующей активации не меняется. Суммарное увеличение глубины отбора фракции 100 - 150 0С составило 2.5 % об. Достижение нефтяной системой равновесного состояния по генерированию указанной фракции, указываемое видом зависимости (рис.1, кр.2), свидетельствует об исчерпании алкильных цепей Сд — С12 в молекулах высокомолекулярных соединений, а также смол и асфальтенов. В результате деструкции алкильных цепей высокомолекулярных соединений, скорее всего, реализуется дополнительное формирование составляющих фр.100 - 150 0С.
В результате электромагнитной активации вид зависимости отбора фр.150 - 200 0С носит антибатный характер по отношению к виду зависимости отбора фр.н.к. - 100 0С. Максимум и минимум указанных зависимостей приходятся на вторую электромагнитную обработку. Фракция 150 - 200 0С представлена преимущественно углеводородами С13 — С16. Резкое увеличение отбора фр.150 - 200 0С в результате вторичной обработки может быть итогом образования из присутствующих в низкомолекулярных фракциях реакционно-активных непредельных связей. Взаимодействие последних, вероятно, приводит к увеличению потенциала фр.150 - 200 0С, что понижает отбор фр.н.к. - 100 0С, не исключая потери. Роль деструкции высокомолекулярных компонентов сохраняется.
На рис.2 показаны зависимости изменения глубины отбора узких фракций светлых нефтепродуктов в электромагнитном поле.
Время нахождения нефти в электромагнитном поле, мин
Рис. 2 - Изменение отбора узких фракций светлых нефтепродуктов
Как следует из рис.2, первая электромагнитная активация мало затрагивает глубину отбора фр.200 - 240 0С и фр.240 - 280 0С. В тоже время выход самой высокомолекулярной фракции светлых нефтепродуктов уменьшается на 2.9 % об. Простой математический расчет указывает на следующее распределение: снижение глубины отбора составила для фр.280 -300 0С - 2.9 % об., для фр. 200 - 240 0С - 0.2 % об., что в сумме равно 3.1 % об. Из них 0.4 % об. перешли в состав фр. 240 - 280 0С, на 0.2 % об. повысился отбор фр.150 - 200 0С, 0.8 % об. стали составляющими фр. 100 - 150 0С и, наконец, 0.8 % об. повысили потенциал низкомолекулярных фракций. Итак, в состав легких из светлых нефтепродуктов перераспределилось 2.2 % об. Остальные углеводороды, в количестве 0.9 % об., вероятно, стали компонентами фракций, выкипающих выше 300 0С, т.е. мазута, что было показано ранее [8].
Математическая выкладка для второй электромагнитной обработки выглядит следующим образом: суммарное снижение глубины отбора легких и светлых нефтепродуктов складывается из 1.4 % об. фр. 280 - 300 0С, 1.2 % об. фр.200 - 240 0С, 0.4 % об. фр.н.к. -100 0С и равно 3.0 % об., по отношению к результатам первой активации. С учетом полученных данных можно констатировать следующее перераспределение изучаемых фракций: в состав фр. 240 - 280 0С уходят 2.3 % об., в состав фр.150 - 200 0С перешли 2.2 % об., повысили потенциал фр. 100 - 150 0С - 1.0 % об., что в сумме составляет 5.5 % об. Следовательно, после второй стадии активации, по отношению к первой, должно наблюдаться снижение выхода мазута (фракции, выкипающей выше 300 0С), за счет которого генерируется дополнительное количество легких и светлых нефтепродуктов. Их количество равно разнице между количеством перераспределившихся и новообразованных фракций (5.5 % об. - 3.0 % об.). Снижение выхода мазута в аналогичных условиях, отмечалось в работах [5, 8]. Кроме того, полученные данные, вероятно, свидетельствуют о снижении лабильных связей в соединениях в составе фр. 100 - 150 0С, 150 - 200 0С и 280 - 300 0С, по сравнению с другими фракциями легких и светлых нефтепродуктов. В пользу сказанного указывают малые изменения по отбору других фракций, что доказывает стойкость составляющих этих нефтепродуктов в процессах разрыва лабильных связей в электромагнитном поле. И последнее, что вытекает из приведенного, при обработке нефти в переменном электромагнитном поле, в системе преобладают деструктивные процессы.
После снятия наложения на нефтяную систему переменного электромагнитного поля и хранения в течение 30 суток получены другие результаты разгонки омагниченных образцов нефти. Результаты разгонки видоизменили зависимости отбора узких фракций легких и светлых нефтепродуктов от времени нахождения сырья в переменном электромагнитном поле. Указанные зависимости приведены на последующих рисунках. Заметим, что на рис. 1,2 по оси ординат отложены данные, относящиеся к исходной нефти. На последующих рисунках по оси ординат отложены результаты дистилляции образцов нефти после первой стадии электромагнитной активации.
Рис. 3- Изменение отбора узких фракций легких нефтепродуктов омагниченных неф-тей, после хранения 30 суток
Как видно из рис.3, только зависимость отбора самой низкомолекулярной фракции (н.к. - 100 0С) осталась адекватной рис.1. При хранении омагниченного образца нефти в течение 30 суток наблюдается разрушение части фр. 100 - 150 0С в ходе второй обработки. За тот же период отмечается резкое повышение вязкости нефтяной системы. Аналогичное повышение вязкости нефти при их обработке в переменном электромагнитном поле впервые описаны еще авторами [12]. Однако повышение вязкости нефтяной системы практически не изменяет плотность углеводородного сырья, что согласно теории коллоидной химии указывает на увеличение дисперсности системы [4]. Следовательно, обработка нефти в переменном электромагнитном поле сопровождается переформированием условного ядра и сольватных слоев сложных структурных единиц (ССЕ). Последнее наблюдали экспериментально [13,14].
Напомним, что отбор легких нефтепродуктов в ходе последовательной электромагнитной активации стабилизируется по завершении второй стадии обработки. Аналогичная закономерность наблюдается для выхода фр. 150 - 200 0С при хранении омагниченной нефти в течение 30 суток. В целом, согласно рис.3, при хранении омагниченной нефти на количественный состав фракций легких нефтепродуктов оказала энергия, полученная системой в ходе первых электромагнитных обработок.
Идентично повлияла энергия первых электромагнитных обработок на отбор узких фракций светлых нефтепродуктов после хранения омагниченных образцов нефти в течение 30 суток. Исключение составляет фр. 240 - 280 0С. Максимальный выход данной фракции отмечается в результате хранения омагниченного образца нефти после третьей активации. Так, отбор фр. 240 - 280 0С увеличился в два раза по сравнению со второй стадией и почти в три раза, по сравнению с первым воздействием (рис.4).
Время нахождения нефти в электромагнитном поле, мин
Рис. 4 - Изменение отбора узких фракций светлых нефтепродуктов омагниченных нефтей, после хранения 30 суток
Во время хранения омагниченных образцов нефти дополнительное поступление энергии в систему отсутствует. Таким образом, изменение количественного состава узких фракций легких и светлых нефтепродуктов должно протекать по другому механизму, отличного от деструктивного механизма. Указанное выше переформирование ядра и соль-ватных оболочек ССЕ обозначает не новый механизм роста отбора легких и светлых нефтепродуктов, а смену приоритетного направления. Следовательно, при хранении образцов омаг-ниченных нефтей основную роль при изменении итогов разгонки указанного сырья начинают
играть процессы перехода составляющих сольватных слоев ССЕ в дисперсионную среду. В результате снижается сила удерживания светлых нефтепродуктов в нефтяной системе.
При хранении омагниченных образцов нефти в течении 45 суток итоги дистилляции несколько изменяются. Отбор низкомолекулярных фракций легких нефтепродуктов приобретает явную тенденцию к снижению (рис.5, кр.1), что можно объяснить потерями. Зато отбор фр. 100 ^ 150 0С стабилизируется, что было характерно для фр. 150 ^ 200 0С после 30 суток хранения. В тоже время выход фр. 150 ^ 200 0С приобретает антибатный вид, по отношению к рис.3. Причем отмечается тенденция к повышению отбора указанной фракции вследствие третьего воздействия переменного электромагнитного поля.
Рис. 5 - Изменение отбора узких фракций легких нефтепродуктов омагниченных неф-тей, после хранения 45 суток
Рис. 6 - Изменение отбора фракций светлых нефтепродуктов омагниченных нефтей, после хранения 45 суток
Как видно из рис.5, приведенные зависимости заметных изменений не претерпели, в сравнении с рис.3. Как следует из рис. 6, зависимости отбора светлых нефтепродуктов после хранения в течение 45 суток, претерпевают более значительные изменения. Выход
фр. 200 ^ 240 0С явно уступает выходу других светлых фракций, хотя после 30 суток минимальным отбором отличалась фр. 280 ^ 300 0С. Последнее свидетельствует о продолжении существенных процессов в составе мазутов. Сказанное подтверждается видом зависимостей отбора наиболее высокомолекулярных фракций светлых нефтепродуктов (рис. 6, кр.2, 3), по сравнению с аналогичными кривыми на рис.4.
Литература
1. Ганиев, Р.Ф. Нелинейная волновая механика и технологии / Р.Ф.Ганиев, Л.Е. Украинский. - М.: Научно-исследовательский центр «Регулярная и хаотичная динамика. 2008. - 712 с.
2. Крупин, С.В. Разработка метода увеличения нефтеотдачи на основе глинистых дисперсий, подвергнутых электрохимической активации / С.В. Крупин [и др.] // Нефть и газ. - 2006. -№2. - С.79 - 89.
3. Семенов, В.В. Магнитная обработка добываемой жидкости нефтяных скважин ООО «Лукойл-Пермь» и критерии для исключения осложнений при ее добыче / В.В. Семенов, Ю.Г. Матвеев // Нефть и газ. - 2008. - №5. -С. 98-103.
4. Маслов, В.В. Кавитационное диспергирование дисперсной фазы буровых растворов / В.В. Мас-лов, Р.Ю. Кузнецов // Известия вузов. Нефть и газ. - 2006. - №6. - С. 42-46.
5. Козлов, В.А. Механические процессы глубокой переработки тяжелого углеводородного сырья / В.А. Козлов [и др.] // Химия нефти и газа. Матер.Межд.конф. - Томск: Изд-во института оптики и атмосферы СО РАН. 2003. - С. 473 - 475.
6. Пивоварова, Н.А. Влияние магнитного поля на результаты перегонки нефтяных остатков / Н.А. Пивоварова [и др.] // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2003. - №12. - С. 23-26.
7. Журавлев, А.П. Влияние вихревых электромагнитных полей на повышение выхода топливной составляющей нефтяного сырья / А.П. Журавлев [и др.] // Нефтепереработка и нефтехимия. -
2004. - 38. - С. 24.
8. Галимов, Р.А. Многостадийная активация нефтей в электромагнитном поле / Р.А. Галимов, Р.Н. Марданшин, Х.Э. Харлампиди // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - №4. - С.121-126.
9. Промтов, М.А. Импульсные технологии для переработки нефти и нефтепродуктов/ М.А. Пром-тов, А.С. Авсеев // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2007. - №6. - С.22-24.
10. Леоненко, В.В. Влияние комбинации магнитного поля и акустических колебаний на свойства товарных нефтепродуктов/ В.В. Леоненко, Г. А. Сафонов // Нефтепереработка и нефтехимия. -
2005. - №10. - С.28-32.
11. Сафиева, Р.З. Физикохимия нефти / Р.З. Сафиева. - М.: Химия, 1998. - 448 с.
12. Вахитов, Г.Г. Использование физических полей для извлечения нефти из пластов / Г.Г. Вахи-тов, Э.М. Симкин. - М.: Наука, 1985. - 231 с.
13. Пивоварова, Н.А. Особенности определения размера дисперсной фазы гудронов/ Н.А. Пивоварова, Б.П. Туманян, Н.М. Береговая // Наука и технология углеводородов. - 2001. - №4. - С. 168-169.
14. Иванов, Б.Н. Волновая природа процессов генезиса добычи и подготовки нефти. Ч. 2./ Б.Н. Иванов// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. -№4. - С. 100 - 120.
© Р. А. Галимов - д-р хим. наук, проф. каф. общей химической технологии КГТУ; Р. Н. Марданшин - асп. той же кафедры; Х. Э. Харлмапиди - д-р хим. наук, проф., зав. каф. общей химической технологии КГТУ; Э. М. Дахнави - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, dahnavi@rambler.ru.
